LNG工廠的工藝設計探討

宗輝

摘要：液化天然氣（LNG），是指將氣態(tài)天然氣在常壓下冷卻到零下162℃以下，使其由氣態(tài)轉化為液態(tài)。LNG具有性能高、熱值大、成本低、便于儲運等優(yōu)點，建設LNG工廠可很好地滿足市場的天然氣使用需求。目前，LNG已成為經濟發(fā)達但能源緊缺的東南沿海地區(qū)的永久或過渡供氣設施。據此，以某市的LNG工廠建設為例，重點對LNG工廠的工藝設計流程進行了探析，并簡要介紹了相關安全措施。

關鍵詞：液化天然氣；工藝設計； LNG儲罐；液化系統(tǒng)

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.30.089

天然氣，是指通過氣田開采，所獲得的一種可燃氣體，其主要成分為CH4（甲烷）。LNG（液化天然氣），是指將氣態(tài)天然氣在常壓下冷卻到零下162℃以下，使天然氣由氣體轉化為液體。液化天然氣可極大地節(jié)省儲運成本和儲運空間，同時具有性能高、熱值大的特點。目前，我國天然氣的西氣東輸工程雖然建設得卓有成效，但受管網所限，仍有一些地區(qū)無法覆蓋到，針對該種情形，建設LNG工廠，將是滿足其天然氣使用需求的最佳途徑。對于天然氣管線完善的地區(qū)，LNG工廠也可作為備用氣源、調峰氣源使用。

1工程概況

某市的LNG工廠的天然氣日處理量為70×104m3。該項目采用的全是國產設備，工藝也是國產化，氣源是西氣東輸氣源。氣源溫度在5℃～40℃之間，其在冬季的壓力為2.0～2.5MPa，夏季為3.0～3.5MPa。氣源成分除了CH4，還有H2S、CO2、N2、苯類、烷烴類等。本工程所采用的工藝依次為：原料氣進廠、氣源壓縮、脫二氧化碳、分子篩脫水、純化、脫汞處理、兩次液化、儲罐儲存、裝車作業(yè)。其他工藝系統(tǒng)包括：循環(huán)水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、液氮氣化、PSA制氮、儀表風系統(tǒng)、放散系統(tǒng)。

2工藝設計流程分析

2.1原料氣分配、壓縮

將原料氣引入工廠以后，先進行原料氣分配，通過分配站對原料氣的調壓計量，將其分為兩路：一路進入分離器，水氣分離后進入壓縮機，將其加壓到5.0MPa；另一路進入廠區(qū)的加熱爐、鍋爐房、廚房、制冷站房。

2.2脫水、脫碳、純化、脫汞

將加壓后的天然氣通入脫碳系統(tǒng)進行脫碳凈化，凈化后，天然氣的二氧化碳的體積分數要<50×10-6，硫化氫的體積分數要<4×10-6。脫碳后，將天然氣通入脫水系統(tǒng)進行脫水，脫水后，水的體積分數要<1×10-6。再通入純化系統(tǒng)，純化后，烷烴類的體積分數要保持在1×10-6與10×10-6之間。

使用氣液分離器、過濾器對壓縮后的天然氣進行氣液分離、過濾，再從底部進入吸收塔，使其與吸收塔上部的MDEA（甲氨基二乙醇）溶液接觸，MDEA溶液會吸收掉天然氣中的二氧化碳和硫化氫。凈化以后，在塔上部對天然氣進行洗滌、冷卻，然后經除污器進行除污，再進入冷卻器，將其冷卻到40℃，再經過凈化分離器，分離雜質、水分后，通入脫水系統(tǒng)。脫碳工藝中所采用的甲氨基二乙醇吸收法，具有化學和物理的雙重吸收特點，其能耗低、二氧化碳回收率高。

天然氣脫水主要有溶劑吸收、固體干燥劑、冷凍分離三類方法。固體干燥劑常用方法為分子篩法、硅膠法，或者二者混合使用；溶劑吸收所應用的溶劑主要為甘醇、濃酸等，但是該方法的脫水深度低，不適用深冷裝置；冷凍分離可防止天然氣在低溫狀態(tài)下產生水合物，但是其允許達到的低溫有限，無法達到液化要求。本LNG工廠采用了分子篩干燥法。天然氣在脫二氧化碳以后，進入分子篩干燥器，將天然氣中的水分脫除，使水露點降到-55℃以下，然后經過濾器，去除雜質后進入脫汞處理和純化處理。

將脫完水后的天然氣通入純化單元進行處理，通入過濾器將粉塵脫除，再經脫汞吸附器（自上而下），以浸硫煤基活性炭將汞脫除，將汞含量降至10ng·m-3。然后再次通入過濾器過濾，然后通入液化單元。

2.3液化單元

2.3.1液化原理

使用氟利昂進行預冷，通過氮和甲烷混合膨脹制冷工藝提供液化所需的冷量，液化后的天然氣通過管道輸送到LNG子母罐內再經過液化天然氣槽車進行裝車和外運。用氟利昂進行預冷、再用氮和甲烷混合膨脹制冷這一工藝流程，兼具膨脹劑液化和級聯(lián)式液化流程的優(yōu)點，其流程簡單而高效。

氮-甲烷混合膨脹制冷是對氮膨脹制冷工藝的改進、完善。以N2、CH4共同來代替N2，降大大降低能耗。氮和甲烷混合膨脹制冷具有流程計較簡單、運用快速、容易控制、便于制冷劑的添加和檢測等優(yōu)點。該流程降低了冷端換熱的溫差，所以比純氮膨脹制冷工藝的能耗降低了10%～20%。

2.3.2液化流程

氮-甲烷混合膨脹液化包括了氮-甲烷混合制冷、天然氣液化兩個部分。氮-甲烷混合膨脹制冷流程，如圖1所示。在該系統(tǒng)中，天然氣經過脫二氧化碳、脫完水以后，進入到換熱器（2）中進行冷卻，然后再進入氣液分離器（3）進行氣相和液相的分離：氣相再進入換熱器（4）進行冷卻和液化，再進入換熱器（5）進行過冷，并進行節(jié)流降壓處理，最后進入儲罐進行儲存；液相入換熱器（2），吸熱氣化以后入氣體管道。

在氮和甲烷混合膨脹制冷流程中，循環(huán)壓縮機（10）和制動壓縮機（7）將氮和甲烷（制冷劑）壓縮到工作壓力，然后再經過-水冷卻器（8）進行冷卻，再進入換熱器（2），將其冷卻到膨脹機所需的（6）入口溫度。部分氮和甲烷會通過換熱器（4、5）進行冷卻、過冷，然后再通過節(jié)流閥，在節(jié)流降溫后反流，成為換熱器（5）的冷源；其余部分進入膨脹機（6）的氮和甲烷，達到膨脹幾到循環(huán)壓縮機入口的壓力，成為換熱器（4）的冷量源，而膨脹能在回收后再用于制動壓縮機的驅動。

2.4儲存和裝車流程

天然氣液化后進入儲罐儲存，根據7日產量來確定儲存能力，選用2座1750m3（有效容積）LNG儲罐，在一座儲罐進液時，另一座裝車。endprint

（1）進液化天然氣

天然氣在經由液化單元液化后，通過輸液管道、緊急切斷閥，從儲罐底部或頂部從進液閥進入儲罐的子罐。在與高液位自動聯(lián)鎖時，充裝緊急切斷閥會迅速地自動關閉。

（2）出液化天然氣、裝車

儲罐子罐LNG經由低溫泵進行抽液外輸，經過截止閥、緊急切斷閥輸送到槽車中。在與火氣報警聯(lián)鎖時，液動緊急切斷閥將及時自動關閉。

該LNG工廠自投運以來，從現場性能考核結果來看，其液化裝置的工藝設計十分合理，其工藝路線可行性良好，各項技術指標也符合設計要求。

3工藝設計安全措施

首先，工程中所應用到的增壓器、氣化器、LNG儲罐、閥門等設備都必須為耐低溫材料，各管道（及其附件）要選用奧氏體（OCrl18Ni9）耐低溫不銹鋼材料，同時要注重管道的柔性設計，以免管道發(fā)生疲勞損壞；其次，在調壓、氣化、儲存、卸車等設施中，都應當設計氣體泄漏、液位、溫度、壓力等檢測儀表，并將其與值班室內的監(jiān)控系統(tǒng)相連接，實現運行參數的動態(tài)監(jiān)控，同時要設置報警、遠程控制的ESD（緊急切斷功能），以有效預防、及時處理突發(fā)狀況；再次，在工藝生產區(qū)中，每個主要設備都必須配置安全放散閥；最后，在生產區(qū)要設計多個可燃性氣體報警器探頭，并與加氣區(qū)、儲罐進出口的多個點進行緊急切斷閥聯(lián)鎖，若發(fā)生泄漏，緊急切斷閥就會馬上關閉，以控制泄漏，避免發(fā)生安全事故。

4結束語

由于LNG具有運行成本低、儲存效率高、運輸靈活等優(yōu)點，所以廣受人們青睞。針對目前天然氣管網無法覆蓋的一些地區(qū)，建設LNG工廠，以LNG作為過渡氣源、調峰氣源、主氣源的發(fā)展前景十分廣闊。LNG工廠的工藝設計包括了原料氣分配和壓縮、脫碳、純化、液化、儲存等過程，流程繁多而復雜，充分掌握各工藝步驟，對于提高LNG生產效率，實現安全生產有著重大意義。

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